一种考虑结冰影响的无人机动力学建模方法

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种考虑结冰影响的无人机动力学建模方法。

背景技术：

无人机积冰是由于环境条件的影响引起在无人机上的结冰现象，其中明显的水分以及合适的环境温度或者低于零度的环境是引起积冰现象的主要关键因素。当发生积冰现象时，会使无人机总体质量增加、无人机尤其是机翼表面的气动外形发生变化，进一步引起气动特性的改变，往往这些由于积冰引起的改变对于无人机而言是不利的，这将严重的影响执行长航时全天候飞行任务的无人机系统的性能。当发生积冰时，若处理不妥当，轻则恶化无人机的飞行性能降低飞行品质，重则会发生无人机坠毁的事故，造成严重的损失。

长航时无人机全天候飞行，积冰现象十分容易出现，且必须克服的一种天候条件，严重恶化无人机的全天候飞行性能。研究积冰后对于无人机全天候飞行能力的影响，改善和提高积冰条件下长航时无人机的飞行性能对于无人机发展具有重要而深远的意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种考虑结冰影响的飞行动力学建模的方法，通过以阻力系数的增量表征结冰严重程度，根据结冰严重程度建立结冰模型，计算结冰后气动参数，带入无人机的平衡方程，以常规无人机动力学为基础，考虑结冰造成的气动参数变化，建立结冰情况下无人机飞行动力学模型。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种考虑结冰情况的无人机动力学建模方法，包括以下步骤：

步骤1、以结冰后阻力系数的增量描述结冰严重程度，计算得到表征结冰严重程度的参数；

步骤2、通过计算流体力学方法，计算结冰对无人机气动参数的影响参数；

步骤3、结合结冰严重程度的参数以及结冰前的气动参数，计算无人机结冰后的气动参数；

步骤4、将结冰后的气动力参数带入无人机初始的平衡方程中，得到结冰影响的无人机飞行动力学模型。

进一步地，步骤1具体为：以结冰后阻力系数的增量描述结冰严重程度，计算得到表征结冰严重程度的参数η；

阻力系数的增量可通过以下公式计算：

δcd＝z1acβg(f)

式中，z1为常数；ac为翼面水滴累积因子；β为水滴收集率；f为冻结系数。

翼面水滴累积因子ac的计算公式为：

式中，lwc表示空气中的液态水含量；v为无人机的飞行速度；t为积冰时间；ρi为积冰的密度；c为弦长。

结冰严重程度参量η表达式为：

δcd(ac)为实际飞行条件下计算得到的阻力系数的增量；δcd(ref)为通过naca0012翼型计算得到的阻力系数增量。

进一步地，步骤2具体为：通过计算流体力学方法，计算结冰对无人机气动参数的影响参数；

kca为无人机结冰因子常数，对于不同的气动导数，kca有所不同，通过计算流体力学方法计算得出。

进一步地，步骤3具体为：根据结冰严重程度参量和结冰对无人机气动参数的影响参数，建立结冰模型，计算无人机结冰后的气动参数：

结冰后的气动导数可由以下公式计算得到：

c(a)iced＝(1.0+ηkca)c(a)

c(a)iced为结冰后的气动参数；c(a)为结冰前的气动参数；kca为无人机结冰因子常数，对于不同的气动导数，kca有所不同。

进一步地，步骤4具体为：将结冰后的气动力参数带入无人机初始的平衡方程中，得到结冰影响的无人机飞行动力学模型。

其中，v和α、θ、q分别为无人机来流速度、迎角、俯仰角、俯仰角速率。fx、fz、my代表气动力、推力、重力的合力矩。为无人机动压，s表示机翼参考面积；为气动弦长；tx、tz、tm是推力在机体坐标系x轴、z轴和俯仰力矩的分量；cx(a)iced、cz(a)iced、cm(a)iced分别是结冰后的无人机气动参数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过考虑结冰对于无人机气动参数的影响，能够有效得到情况下无人机飞行性能情况，从而为相关设计提供指导思想，提高无人机的全天候飞行能力。

附图说明

图1是本发明实施例无人机动力学建模方法流程图；

图2是本发明实施例不同结冰程度下升降舵阶跃输入后俯仰角响应曲线图；

图3是本发明实施例不同结冰程度下升降舵阶跃输入后机体坐标系轴的速度响应曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种考虑结冰情况的无人机动力学建模方法，包括以下步骤：

步骤1、以结冰后阻力系数的增量描述结冰严重程度，计算得到表征结冰严重程度的参数；

步骤2、通过计算流体力学方法，计算结冰对无人机气动参数的影响参数；

步骤3、结合结冰严重程度的参数以及结冰前的气动参数，计算无人机结冰后的气动参数；

步骤4、将结冰后的气动力参数带入无人机初始的平衡方程中，得到结冰影响的无人机飞行动力学模型。

步骤1具体为：以结冰后阻力系数的增量描述结冰严重程度，计算得到表征结冰严重程度的参数η；

阻力系数的增量可通过以下公式计算：

δcd＝z1acβg(f)

式中，z1为常数；ac为翼面水滴累积因子；β为水滴收集率；f为冻结系数。

翼面水滴累积因子ac的计算公式为：

式中，lwc表示空气中的液态水含量；v为无人机的飞行速度；t为积冰时间；ρi为积冰的密度；c为弦长。

结冰严重程度参量η表达式为：

δcd(ac)为实际飞行条件下计算得到的阻力系数的增量；δcd(ref)为通过naca0012翼型计算得到的阻力系数增量。

步骤2具体为：通过计算流体力学方法，计算结冰对无人机气动参数的影响参数；

kca为无人机结冰因子常数，对于不同的气动导数，kca有所不同，通过计算流体力学方法计算得出。

步骤3具体为：根据结冰严重程度参量和结冰对无人机气动参数的影响参数，建立结冰模型，计算无人机结冰后的气动参数：

结冰后的气动导数可由以下公式计算得到：

c(a)iced＝(1.0+ηkca)c(a)

c(a)iced为结冰后的气动参数；c(a)为结冰前的气动参数；kca为无人机结冰因子常数，对于不同的气动导数，kca有所不同。

步骤4具体为：将结冰后的气动力参数带入无人机初始的平衡方程中，得到结冰影响的无人机飞行动力学模型。

其中，v和α、θ、q分别为无人机来流速度、迎角、俯仰角、俯仰角速率。fx、fz、my代表气动力、推力、重力的合力矩。为无人机动压，s表示机翼参考面积；为气动弦长；tx、tz、tm是推力在机体坐标系x轴、z轴和俯仰力矩的分量；cx(a)iced、cz(a)iced、cm(a)iced分别是结冰后的无人机气动参数。

本实施例中针对某型无人机考虑结冰影响的情况下，对无人机进行了动力学建模。采用了结冰严重程度参量η＝0.214,η＝0.568,η＝0.8三种结冰严重程度工况。在小扰动线化模型下，考虑升降舵单位阶跃响应，分析结冰对于飞机纵向飞行性能的影响。结冰条件下的配平状态，如表1所示。飞机积冰会明显降低机翼的升力系数，使飞机不能够实现正常的平飞运动，若要实现等高度的飞行，必须通过控制升降舵舵面偏角来增加飞机的迎角，提高升力。结冰程度越严重，对于飞机的影响也越大。图2和图3分别表示不同的结冰严重程度下，当升降舵阶跃输入后，俯仰角和沿着机体坐标系下轴的速度的响应曲线。结冰对于升降舵控制舵面的影响比较大，会使操纵响应变慢，结冰后使控制舵面翼型发生变化，厚度增加，严重时会出现反效现象。

表1配平参数

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。